土壤水盐运移规律的试验研究

李 炎

(天津农学院水利工程学院，天津 300384)

农作物生长条件下的农田水盐运动是一个复杂的系统。当灌溉水中含有盐分或在盐渍化土地上进行节水灌溉时，就有可能使土壤盐分积累，造成土壤溶液浓度过高，引起作物生理性干旱[1]。盐分因素存在引起的生理干旱，如同水分因素不足引起的干旱缺水一样，会造成作物减产或死亡。随着作物水分关系的深入研究，随之也展开了作物水盐关系的探索[2-5]。早在20世纪80年代，我国学者就已对土壤水盐运移进行了研究。近几年土壤水盐运移的深入研究趋于明确，对指导农田生产提供了充足的理论依据[6-8]。在全世界范围内水资源短缺的前提下，农学、土壤、水利、植物生理等多学科交叉融合，还将进行更加深入的内在机制性的研究[9]。

1 材料与方法

1.1 试验场概况及试验设计

本实验研究采用两个试验场，一是西青区试验场，另一个是天津农学院西校区试验基地。2015年3月15日各试验场分别取出测试。

(1)西青区试验场位于天津市西青区大柳滩村灌区上，地处西青区杨柳青镇北部。海拔仅15 m左右，耕作层密度为1.35 g/cm3，土质为砂壤土，田间持水率为39.5%，土壤有机质含量为1.09%。灌溉水源为地下井水。试验设覆膜灌溉、浅湿灌溉、浅水灌溉3个处理，采取大区对比试验，各处理不设重复。各大区面积均为1 330 m2。供试水稻品种为常规稻“津原45号”，覆膜区的灌溉制度为田间持水率75%(3 cm水层)；浅湿区的灌溉制度为田间持水率75%(3 cm水层)；浅水区的灌溉制度为0～5 cm水层。3个处理的施肥量为复合肥(N+P2O5+K2O>45%)375 kg/hm2作基肥，氯化钾112.5 kg/hm2，磷酸二铵150 kg/hm2，尿素525 kg/hm2，作返青肥和分蘖肥分三次施入。

(2)天津农学院西校区试验基地位于北纬39°15′，东经117°16′，海拔5 m，土质为潮棕壤土，耕作层平均土壤容重为1.38 g/cm3，田间持水率为35.8 cm3/cm3，试验期平均地下水埋深为2.5 m。在试验基地的东侧用保温板围成南北长3 m，东西长3 m，高0.6 m的3个相邻的小区，从南至北依次命名为1区、2区、3区，利用保温板的低导热性阻隔每个区与外界环境在水平方向上的热质交换。在2014年12月20日下午14∶00，1区撒KCl为143.1 g，(NH4)2SO4为266.1 g, NH4NO3为47.5 g，K2HPO4为159.7 g；2区撒KCl、(NH4)2SO4，NH4NO3，K2HPO4的量与1区相同，三区未撒盐。各区的积雪时间和深度分别为：时间是在2014年12月20日下午14∶00。一区积雪厚度20 cm，二区积雪厚度10 cm，三区积雪厚度5 cm。

1.2 土壤盐分的测定

1.2.1 电导法测定土壤盐分

在一定浓度范围内，溶液的含盐量与电导率成正相关。因此，土壤浸出液的电导率的数值能反映土壤含盐量的高低，但不能反映混合盐的组成。如果土壤溶液中几种盐类彼此间比值比较固定时，则用电导率值测定总盐分浓度的高低是相当准确的。土壤浸出液的电导率可用电导仪测定，并可直接用电导率的数值来表示土壤含盐量的高低。

将连接电源的两个电极插入土壤浸出液中，构成一个电导池。正负两种离子在电场作用下发生移动，并在电极上发生电化学反应而传递电子，因此电解质溶液具有导电作用。根据欧姆定律，当温度一定时，电阻与电极间的距离(L)成正比与电极的横截面积(A)反比。

(1)

式中：R为电阻，Ω；ρ为电阻率。当L=1 cm时，A=1 cm2，则R=ρ，此时测得的电阻称为电阻率(ρ)。溶液的电导率(EC)则是电阻率的倒数。

(2)

式中：EC为电导率，S/m。土壤溶液的电导率一般小于1 S/m，因此常用μS/cm来表示。两电极片间的距离和电极片的截面积难以精确测量，一般可用标准KCl溶液(其电导率在一定温度下是已知的)求出电极常数。

(3)

式中：K为电极常数；KCKCl为标准KCl溶液(0.02 mol/L)电导率，dS/m。SKCl为同一电极在相同条件下实际测得标准KCl溶液的电导度值。那么，待测液的电导度St乘以电极常数K就是待测液电导率ECt。

ECt=KSt

(4)

式中：St为待测液的电导度。大多数电导仪是电极常数的调节装置，可以直接读出待测液的电导率，无须再考虑用电极常数进行计算结果，因此可利用电导率仪读数来计算土壤盐分。土壤浸出液的电导率用EC25表示，粗略校正时，可按每增高1 ℃，电导度约增加2%计算。当液温在17～35 ℃之间时，液温与标准液温25 ℃每差1 ℃，则电导率约增减2%，所以EC25可按下式直接算出。将(4)代入下式，可得：

EC25=ECt-0.02ECt(t-25 ℃)=

ECt[1-0.02(t-25 ℃)]=KSt[1-0.02(t-25 ℃)]

(5)

式中：t为土壤浸出液的温度，℃；EC25为土壤浸出液的电导率，μS/cm。

1.2.2 土壤电导率的测定步骤

本试验土壤的电导率由DDS-307型数字电导率仪测定。其试验步骤如下。

(1)取土样。首先将用来装土的杯放在天平上调零，然后称取每一深度下10 g的土样；

(2)量水。用量筒取50 mL水。

(3)振荡溶液。将土样和水混合放在特制的塑料瓶中，放于变频振荡机上振荡3 min，用秒表计时，起初20 s旋转振荡器第二个旋钮，使速度逐级加大到最大速度后，使其均匀振荡，当2 min 40 s时再均匀调此旋钮使速度在3 min时达到最小，最后切断电源。使得土壤颗粒与水充分接触，将土壤中的可溶性盐溶解在水中。

(4)测温。将塑料瓶中的溶液倒入杯中，测溶液的温度。

(5)测定溶液电导率。用DDS-307型数字电导率仪测定土壤溶液的电导率，首先将仪器预热30 min，把电导率仪的旋钮由左到右依次排序为1～4，然后将旋钮1调到校核档，旋钮4调到25 ℃，再将旋钮2调到1.0，最后调旋钮使电导率仪的显示数为100。然后进行常数和温度补偿，将温度调到溶液的温度，常数调到99.7，将量程调到Ⅱ档，将电极放到浸取液中，读数。

2 结果与分析

2.1 西青区试验场土样的分析结果

图1是不同节水措施处理0～80 cm的电导率对比曲线。可以看出，覆膜土壤的电导率远远高于其他两种节水措施，说明灌溉区的保肥能力较强，其平均值为108.29 μS/cm，较浅湿高17.15 μS/cm，较浅水高18.63 μS/cm，而浅湿与浅水在不同深度的电导率值相近。电导率的最大值出现在地表0～10 cm处，覆膜最高为159.5 μS/cm，较浅湿高13.2 μS/cm，较浅水高15.4 μS/cm；随着土层深度的增加，电导率呈直线下降趋势，40 cm土层往下的电导率值基本保持稳定，上下波动不大。

图1 不同节水措施处理的电导率Fig.1 The electroconductibility of the different saving water measures

图2是不同节水措施对播前水稻土壤含水率的影响曲线。土样含水率的测定方法是烘干法。由图2可知，60 cm以上的土壤平均含水率，覆膜为27.01%，浅湿灌为25.13%，浅水灌为24.85%，覆膜明显高于浅水灌和浅湿灌，较浅湿灌高1.88%，较浅水灌高2.15%，其中，10～20 cm深度最为明显；而60 cm以下覆膜的含水率与其他两种节水措施相差不大，甚至还低于其他两种节水措施，平均值浅水灌最高，为24.57%，次之浅湿灌为24.09%，覆膜最低为23.52%，浅水灌较覆膜高1.06%，较浅湿灌高0.49%。这说明，覆膜对60 cm以上的土壤含水率的影响较大，含水率均明显高于浅水灌和浅湿灌，对60 cm以下的土壤含水率影响不大。

图2 不同节水措施对播前水田土壤含水率的影响Fig.2 The soil moisture effect of the different saving water measures before sowing

2.2 天津农学院西校区试验基地土样的分析结果

三个区垄台电导率平均值变化特征曲线如下图3所示。很明显，在土壤表层甚至20 cm以上的土层，在同一深度三区垄台的电导率值最大，二区次之，一区最小。到20 cm时，三个区垄台的电导率值基本相同。而在20～40 cm之间，正好与20 cm以上土层相反，一区电导率值最大，二区次之，三区最小。当达到50 cm时，三个区的基本相同。20 cm以上土层电导率的差异可能是因为一区积雪厚度最深20 cm，由于雪的淋溶作用相对来说强，把土层表面的盐分基本都带到土壤深处，而二区积雪厚度是10 cm，所以它的雪的淋溶作用要较一区弱，所以土表的盐分被带到地下的要少，所以在土壤表层电导率值要比一区的大。三区的积雪厚度最小，同理，电导率值在土表最大。

图3 三个区垄台电导率平均值特征曲线Fig.3 The electroconductibility average value of the three ridge

三个区垄沟电导率平均值变化特征曲线如下图4所示。在土壤表层电导率变化最剧烈，特别是30 cm以上的土层。但是明显可以看出在地表二区垄沟的电导率值最大，三区次之，一区最小。而到50 cm以下的土层各区的电导率值基本没有太大的变化，但是有逐渐变小的趋势。这种曲线的形成原因可能是因为各区撒盐量的不同和积雪厚度不同引起的。

图4 三个区垄沟电导率平均值特征曲线Fig.4 The electroconductibility average value of the three ditch

天津农学院西校区试验基地土样含水率的测定方法也是烘干法。西校区试验基地三个区垄台含水率平均值变化特征曲线如图5所示。在10 cm以上的土层二区垄台的含水率值最大，而一区和三区的基本一致。到地下20 cm以后就基本没有什么变化，但是有一个整体变小的趋势。三个垄台在地表的含水率最大的原因可能是与积雪厚度和撒盐量有关系，也可能是实验误差。总的来说，在三个区的50 cm以上土层的含水率变化都不大。

图5 三个区垄台含水率平均值变化特征曲线Fig.5 The water content average value of the three ridge

西校区试验基地三个区垄沟含水率平均值变化特征曲线如图6所示。三个区含水率变化范围不大，基本都在20%～25%之间。其中一区含水率的波动最大，是15%～30%之间，而且三个区土层之间的含水率相差都很大。但是二区和三区的波动都很小，但是由地表到地下有含水率逐渐变大的趋势。

图6 三个区垄沟含水率平均值变化特征曲线Fig.6 The water content average value of the three ditch

3 结 语

通过土壤水盐运移规律的试验研究，可得出如下结论。

(1)西青区土壤的电导率在40 cm土层以上是急剧变小，而到了40 cm以下的土层，电导率基本就没有太大的变化，其中三种灌溉方式中覆膜土壤的电导率远远高于其他两种节水措施，说明覆膜灌溉区的保肥能力较强。

(2)西青区含水率主要差异在于0～60 cm的土层，播前60 cm以上土层的含水率覆膜最高，浅湿灌次之，浅水灌最低。

(3)天津农学院西校区综合试验基地土壤电导率变化趋势大致一样，在50 cm以上的土层电导率是逐渐变小，50 cm以下的土层电导率基本就没有太大变化。这说明土壤中的盐分主要存在于土壤表层。这种变化的主要原因是各个区的撒盐量不同以及积雪厚度不同造成。三区没有撒盐，但是在地表的电导率值最大，主要是因为三区的积雪厚度最小，所以淋溶强度最小，土壤表层的盐分基本仍保留在原处，而二区的电导率在地表较三区小，主要是因为二区积雪厚度是10 cm，远大于三区，所以淋溶作用就比较强，导致土表盐分随着淋溶过程运移到地下。一区电导率在地表最小，主要原因是积雪厚度最大，达20 cm，地表的盐分随着淋溶过程运移到地下导致地表的电导率值小。

(4)天津农学院西校区综合试验基地土壤含水率的变化趋势都不大，随着土层加深，含水率缓慢变大，但是主要集中在15%～25%之间。

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